新能源接入的多端柔性直流输电系统分布式协同优化控制策略研究

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随着分布式风电、光伏等可再生能源大规模开发和利用,其并网和消纳问题成为目前研究热点。风电、光伏等可再生能源本身具有的随机性、波动性、间歇性以及其与负荷中心呈逆向分布等特点阻碍了其进一步发展,在此背景下,具有多点供电和多点受电的多端柔性直流输电(Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current,VSC-MTDC)技术的出现为解决这一问题提供了新的研究思路。然而,VSC-MTDC系统作为典型的高阶多输入多输出系统,其通过多个换流站端口连接多个风电场、光伏电站、直流电网及交流系统,因此,研究如何实现系统多个换流站的协同控制,保证系统的安全稳定运行是一个重要的研究课题。在上述背景之下,本文将新能源接入的VSC-MTDC系统作为研究对象,以实现VSC-MTDC系统有功功率分配优化控制和直流电压优化控制为目标展开研究。主要研究内容如下:(1)论文首先针对VSC-MTDC系统的拓扑结构和分层控制结构进行分析和总结,在此基础上,提出了采用多智能体技术和小信号建模相结合的分布式建模方法从信息层和物理层两个层面对系统进行建模,其中,信息层采用多智能体技术进行建模,各智能体之间可通过分布式协同通信网络进行信息交互;物理层采用小信号建模的建模方法,主要从下垂控制换流站交流侧模型、直流网络模型和控制器模型三个部分进行建模,最终建立了通用的受端下垂控制换流站子系统区域模型。(2)针对VSC-MTDC系统中存在的换流站间有功功率分配偏差及不合理问题,定性分析了直流线路电阻以及测量误差对换流站间有功功率分配的影响,提出通过调整下垂系数的方式来调节换流站间功率的分配。接着,基于多智能体系统一致性算法设计了分布协同优化有功功率分配控制器。最后,通过所设计的风电场和光伏电站接入的六端柔性直流输电系统,对所提出的控制方法进行仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制方法通过调节受端下垂控制换流站下垂系数,可实现下垂控制换流站间有功功率按功率裕度成比例精确合理分配,并提高受端换流站的功率调节能力。(3)针对新能源接入的VSC-MTDC系统中存在的直流电网电压控制偏差及不稳定问题,结合电压裕度控制方法和电压下垂控制方法,提出了基于稀疏通信网络的分布式协同优化直流电压控制策略。其中,考虑到风电和光伏等可再生能源本身具有的随机性和波动性等特点,系统通过协调受端换流站实现对整个系统的协调控制,在所提出的控制策略中,系统根据直流电压偏差大小,采用不同控制方式对受端换流站的进行协同控制。针对受端单个下垂控制换流站设计了分布式模型预测控制器,并采用交替方向乘子算法对分布式模型预测滚动优化目标求最优解,以提高优化问题的求解速度。仿真结果表明,所提出的控制策略,可有效减少系统直流电压偏差、降低系统直流电压波动,并保证系统控制的动态性能。(4)针对于直流电压下垂控制中存在的有功功率分配优化控制和直流电压优化控制两个控制目标冲突问题,将系统功率分配优化控制方法和直流电压优化控制方法相结合,提出采用设定权重系数的方式来调整优化控制目标的相对重要程度,设计了两输入一输出的模糊自适应控制器,并根据期望控制设计了模糊控制规则。仿真结果表明,所设计的控制器可以根据系统运行实际情况灵活选择适合的权重系数,最终实现两个优化控制目标的动态权衡。
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